Ελληνική Επιστημονική Εταιρία Ερευνών Σκυροδέματος (ΕΠΕΣ) ΤΕΕ / Τμήμα Κεντρικής Μακεδονίας

Transcript

1 Πειραματική διερεύνηση της επιρροής της αντοχής σκυροδέματος και της πύκνωσης των συνδετήρων στη φέρουσα ικανότητα και τους μηχανισμούς αστοχίας δοκών Ο/Σ που υπόκεινται σε καμπτική φόρτιση Παναγιώτης Δημοσθένους Πολιτικός Μηχανικός, Μεταπτυχιακός Φοιτητής, Πανεπιστημίου Frederick, Κύπρος Νικόλας Ιωάννου Πολιτικός Μηχανικός Πανεπιστημίου Frederick, Κύπρος Άγγελος Θεοδοσίου Msc Πολιτικός Μηχανικός Πανεπιστημίου Frederick, Κύπρος Μίλτων Δημοσθένους Δρ. Πολιτικός Μηχανικός, Ερευνητής του ΙΤΣΑΚ, Επισκέπτης Καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Frederick, Κύπρος, Εισαγωγή Οι δοκοί οπλισμένου σκυροδέματος (Ο/Σ) κατασκευάζονται συνήθως υπό συνθήκες πάκτωσης στα δύο άκρα και σχεδιάζονται, επίσης συνήθως, έναντι συνεχούς φορτίου εγκάρσια στον άξονα της δοκού. Ο πειραματικός έλεγχος στο εργαστήριο δοκών Ο/Σ υπό τις παραπάνω συνθήκες στήριξης και φόρτισης παρουσιάζει αρκετές δυσκολίες. Για το λόγο αυτό και για σκοπούς πειραματικής διερεύνησης της φέρουσας ικανότητας και των μορφών αστοχίας δοκών Ο/Σ καθιερώθηκε διεθνώς η μέθοδος των «τεσσάρων σημείων φόρτισης» αμφιαρθρωτών δοκών (Σχ. 1). Υπό αυτές τις συνθήκες, η δοκός επιμερίζεται σε τρία τμήματα, ένα κεντρικό και δύο ακραία. Το κεντρικό τμήμα της δοκού εξετάζεται έναντι καθαρής κάμψης ενώ τα ακραία τμήματα υπό συνθήκες σταθερής τέμνουσας και γραμμικά φθίνουσας καμπτικής ροπής η οποία προφανώς μηδενίζεται στις στηρίξεις (αρθρώσεις). Σχ.1. Συνεχής φόρτιση και φόρτιση «τεσσάρων σημείων» αμφιαρθρωτής δοκού Ο/Σ

2 Υπό τις παραπάνω συνθήκες φόρτισης και στήριξης μιας δοκού Ο/Σ εμφανίζονται συνήθως οι παρακάτω μορφές αστοχίας (Σχ. 2): Κατακόρυφες ρηγματώσεις του σκυροδέματος στο κεντρικό τμήμα λόγω εφελκυστικών τάσεων οι οποίες παράγονται από την κάμψη της δοκού. Οι ρωγμές αυτές ξεκινούν από το κατώτερο τμήμα της δοκού και επεκτείνονται προς τα πάνω. Το εύρος στο κατώτερο τμήμα αλλά και το μήκος επέκτασής τους αυξάνουν με την αύξηση του εξωτερικά επιβαλλόμενου φορτίου. Διαρροή του διαμήκους οπλισμού στην κάτω παρειά της δοκού λόγω εφελκυστικών τάσεων που παράγονται από κάμψη. Θραύση του σκυροδέματος στο πάνω μέρος του κεντρικού τμήματος λόγω θλιπτικών τάσεων που παράγονται από την κάμψη της δοκού. Λυγισμός του διαμήκους οπλισμού στην άνω παρειά της δοκού λόγω θλιπτικών τάσεων οι οποίες παράγονται από την κάμψη της δοκού. Καμπτοδιατμητικές ρηγματώσεις του σκυροδέματος στα δύο ακραία τμήματα της δοκού με μέση κατεύθυνση από τη θέση επιβολής της εξωτερικής φόρτισης προς τις στηρίξεις. Διατμητκή αστοχία των διαμήκων οπλισμών στα δύο ακραία τμήματα της δοκού λόγω τέμνουσας δύναμης και απώλειας διατμητικής αντοχής λόγω ρηγμάτωσης του σκυροδέματος. Διαρροή των συνδετήρων στα δύο ακραία τμήματα της δοκού λόγω ισχυρής τέμνουσας και απώλειας διατμητικής αντοχής λόγω ρηγμάτωσης του σκυροδέματος.

3 Σχ.2. Σύστημα «φόρτισης τεσσάρων σημείων», εντατική κατάσταση και μορφές αστοχίας σε αμφιαρθρωτή δοκό Ο/Σ (Σχέδιο Αργύρης Φελλάς) Το παραπάνω σύστημα πειραματικού ελέγχου έχει εφαρμοστεί σε εθνικό και διεθνές επίπεδο από πολλούς ερευνητές για τη διερεύνηση της φέρουσας ικανότητας και των μορφών αστοχίας δοκών Ο/Σ, σχεδιασμένων υπό διάφορες παραλλαγές όπλισης και φόρτισης (Δημοσθένους κ. α (2003), Μάνος κ.α. (2003), Ζαράρης (2003)). Ένας από τους βασικούς στόχους αυτών των εργασιών ήταν να εξετάσουν το βαθμό αξιοπιστίας των διαφόρων διατάξεων κανονισμών σκυροδέματος και αντισεισμικού σχεδιασμού δοκών από Ο/Σ. Κοινή επιδίωξη των σύγχρονων κανονισμών κατά το σχεδιασμό δομικών στοιχείων Ο/Σ είναι η αποφυγή αστοχιών διατμητικού χαρακτήρα, οι οποίες κατά κανόνα θεωρούνται ψαθυρού τύπου, αλλά ταυτόχρονα και η διασφάλιση της ικανότητας απορρόφησης ενέργειας (ΕΝ1992, Eurocode 2, ΕΝ1998 Eurocode 8 ). Στην Κύπρο τέθηκαν σε εφαρμογή από το 2012 όλοι οι Ευρωκώδικες οι οποίοι ενώ θέτουν κάτω όριο αντοχής του σκυροδέματος για τις αντισεισμικές κατασκευές δεν θέτουν οποιοδήποτε άνω όριο και

4 ούτε και προβλέπουν οποιαδήποτε διαφοροποίηση στις κανονιστικές διατάξεις σε περίπτωση χρήσης σκυροδέματος υψηλής αντοχής. Παράλληλα, τα τελευταία χρόνια παρατηρείται στην Κύπρο συστηματική και ευρεία χρήση σκυροδέματος υψηλής αντοχής. Ως γνωστό, όσο αυξάνει η αντοχή του σκυροδέματος μειώνεται ταυτόχρονα η ικανότητά του για ανάπτυξη μεγάλων παραμορφώσεων οι οποίες αναμένεται να επισυμβούν υπό τη δράση οριακών μορφών φόρτισης όπως είναι η σεισμική φόρτιση. Υπό αυτές τις συνθήκες (οριακή φόρτιση), τίθεται ευλόγως το ερώτημα, πως η κατηγορία σκυροδέματος επηρεάζει τη συμπεριφορά δοκών Ο/Σ σχεδιασμένων με βάση τους Ευρωκώδικες. Δηλ. αν θα κυριαρχήσουν οι διατμητικού ή καμπτικού τύπου αστοχίες και σε πιο βαθμό θα πρέπει να υπάρξει πύκνωση των συνδετήρων ώστε να αποτρέπεται μεν η εμφάνιση διατμητικών αστοχιών όμως να υφίσταται ταυτόχρονα η ικανότητα για απορρόφηση ενέργειας χωρίς η δοκός να οδηγείται σε οριακή κατάσταση. Αντικείμενο και στόχοι της παρούσας εργασίας Σε πρώτο στάδιο, αντικείμενο της παρούσας εργασίας ήταν ο σχεδιασμός δοκών Ο/Σ για διάφορες κατηγορίες σκυροδέματος με βάση τις διατάξεις των Ευρωκωδίκων, η κατασκευή αυτών των δοκών υπό κλίμακα 1:2 και ο πειραματικός έλεγχός τους υπό συνθήκες καμπτικής φόρτισης (μέθοδος «τεσσάρων σημείων»). Στόχος αυτής της προσπάθειας ήταν να διερευνήσει μέσα από τις πειραματικές δοκιμές πως επηρεάζονται η φέρουσα ικανότητα και οι μηχανισμοί αστοχίας των πιο πάνω δοκών από την αντοχή του σκυροδέματος. Σε ένα δεύτερο στάδιο επιχειρήθηκε επανασχεδιασμός αυτών των δοκών με διαφορετική πύκνωση συνδετήρων, η κατασκευή τους (δοκοί) και ο πειραματικός τους έλεγχος ώστε να διερευνηθεί κατά πώς και σε πιο βαθμό ο παράγοντας της πύκνωσης των συνδετήρων αποτρέπει την εμφάνιση διατμητικών αστοχιών σε δοκούς με σκυρόδεμα υψηλής αντοχής και κατά πως μεταβάλλονται οι μηχανισμοί αστοχίας σε αυτές τις δοκούς, υπό συνθήκες οριακής φόρτισης. Σχεδιασμός των πειραματικών δοκιμίων O σχεδιασμός των δοκών έγινε με βάση τις διατάξεις των Ευρωκωδίκων (EC1, EC2 & EC8). Αρχικά έγινε ο σχεδιασμός μιας δοκού σε πρωτότυπη κλίμακα διαστάσεων 30cmΧ40cmΧ400cm και για συνθήκες συνεχούς φόρτισης. Στη συνέχεια έγινε κατάλληλος ανασχεδιασμός αυτής της δοκού σε κλίμακα 1:2 ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις των Ευρωκωδίκων. Έτσι τελικώς, τα πειραματικά δοκίμια μπορούμε να πούμε ότι αντιπροσωπεύουν δοκούς σχεδιασμένες με βάση τις διατάξεις των Ευρωπαϊκών Κανονισμών οι οποίοι εφαρμόζονται στην Κύπρο από το Για την υλοποίηση των επιδιωκόμενων στόχων, και όχι μόνον, σχεδιάστηκαν και κατασκευάστηκαν έξι (6) ομάδες δοκών οπλισμένου σκυροδέματος (Ο/Σ) με τέσσερα (4) πειραματικά δοκίμια κάθε ομάδα (σύνολο 24). Όλα τα πειραματικά δοκίμια έχουν τις ίδιες γεωμετρικές διαστάσεις (15cmX20cmX200cm) και τον ίδιο διαμήκη οπλισμό (2Υ12 άνω παρειά και 3Y12 κάτω παρειά). Η διαφοροποίηση μεταξύ των έξι (6) ομάδων συνίσταται στη διαφορετική αντοχή του σκυροδέματος και στην πύκνωση των συνδετήρων οι οποίοι ήταν διαμέτρου 8mm για όλες τις δοκούς (Υ8). Τα χαρακτηριστικά όλων των πειραματικών δοκιμίων φαίνονται στον πίνακα 1 και στο Σχ. 3. Πίνακας 1. Χαρακτηριστικά πειραματικών δοκιμίων δοκών Ο/Σ Κωδικός Ομάδας Δοκών Αριθμός Πειραματικών Διαστάσεις Μέση Αντοχή Σκυροδέματος Διαμήκεις οπλισμοί Συνδετήρες

5 Δοκιμίων Cm Mpa BjC27S X20X Y12 άνω και 3Υ12 κάτω BjC41S X20X Y12 άνω και 3Υ12 κάτω BjC49S X20X Y12 άνω και 3Υ12 κάτω BjC53S X20X Y12 άνω και 3Υ12 κάτω BjC53S X20X Y12 άνω και 3Υ12 κάτω BjC53S X20X Y12 άνω και 3Υ12 κάτω Υ8/5 (lcr) & Y8/20 Υ8/5 (lcr) & Y8/20 Υ8/5 (lcr) & Y8/20 Υ8/5 (lcr) & Y8/15 Υ8/5 (lcr) Y8/10 ακραία τμήματα Υ8/15 κεντρικό τμήμα Υ8/5 ακραία τμήματα Υ8/15 κεντρικό τμήμα Πρώτη Σειρά δοκιμίων Δεύτερη Σειρά δοκιμίων Σχ.3. Κατασκευαστικά σχέδια πειραματικών δοκιμίων δοκών Ο/Σ Κατασκευή των πειραματικών δοκιμίων και έλεγχος σκυροδέματος Η διαμόρφωση των οπλισμών (όπως και όλες οι πειραματικές δοκιμές) έγιναν στο Eργαστήριο Μηχανικής του Πανεπιστημίου Fredrick. Για τα χαρακτηριστικά του χάλυβα χρησιμοποιήθηκαν αυτά που παρέχει ο εισαγωγέας. Για τις αγκυρώσεις του διαμήκη οπλισμού καθώς και για το διατμητικό οπλισμό (συνδετήρες) ακολουθήθηκαν οι πρόνοιες των ευρωπαϊκών κανονισμών. Η σκυροδέτηση των δοκιμίων έγινε με βιομηχανικό σκυρόδεμα. Κατά τη φάση της σκυροδέτησης λαμβάνοντα δοκίμια κύβου ακμής 15cm ώστε να γίνουν οι απαραίτητοι έλεγχοι του σκυροδέματος (Εικ. 1 και Εικ. 2). Ο έλεγχος σκλήρυνσης έγινε σε δοκίμια κύβου στις 7, 14 και 28 μέρες. Στις 28 μέρες βρέθηκε μέση θλιπτική αντοχή της πρώτης ομάδας των πειραματικών δοκιμίων 27Mpa, της δεύτερης 41Mpa και της τρίτης 49Mpa (Σχ. 4). Υπενθυμίζουμε ότι οι τρεις πρώτες ομάδες είχαν ίδια διάταξη διαμήκων και εγκάρσιων οπλισμών αλλά διαφορετική κατηγορία σκυροδέματος. Η τέταρτη,

6 πέμπτη και έκτη ομάδα των πειραματικών δοκιμίων είχαν διαφορετική διάταξη οπλισμών όμως την ίδια κατηγορία σκυροδέματος. Γι αυτές τις ομάδες βρέθηκε μέση τιμή θλιπτικής αντοχής στις 28 μέρες ίση με 53Mpa. Επιπλέον, στις 28 μέρες καταγράφηκαν τα διαγράμματα τάσης παραμόρφωσης του σκυροδέματος. Από αυτά τα διαγράμματα προκύπτει ότι όσο αυξάνεται η αντοχή του σκυροδέματος αυξάνει το μέτρο ελαστικότητας (κλίση γραμμικού κλάδου), ενώ μειώνεται η παραμόρφωση στην οποία αναπτύσσεται η μέγιστη θλιπτική τάση θλιπτική αντοχή του σκυροδέματος (Σχ. 5). Οι παραπάνω διαπιστώσεις ήταν άκρως απαραίτητο να ισχύουν ώστε να συνεχιστεί η όλη ερευνητική προσπάθεια για επίτευξη των επιδιωκόμενων στόχων. Αφενός να υπάρχει σχετικά μεγάλη διαφορά θλιπτικής αντοχής μεταξύ των διαφόρων κατηγοριών σκυροδέματος και αφετέρου οι τρεις τελευταίες ομάδες των πειραματικών δοκιμίων να διέθεταν σκυρόδεμα πολύ υψηλής αντοχής. Πειραματική διάταξη και εκτέλεση των πειραματικών δοκιμών Όλες οι πειραματικές δοκιμές των δοκών Ο/Σ έγιναν στο Εργαστήριο Μηχανικής του Πανεπιστημίου Frederick. Η πειραματική διάταξη περιλαμβάνει ένα ισχυρό μεταλλικό πλαίσιο κατάλληλων διαστάσεων με δύο αρθρωτές στηρίξεις για την έδραση των δοκών. Κατά την τοποθέτηση τους οι δοκοί εξέχουν κατά 10cm από κάθε στήριξη. Έτσι τελικώς παραμένει ένα καθαρό άνοιγμα 180cm. Μέσω μιας αντλίας λαδιού επιβάλλεται υδραυλική πίεση σε ένα υδραυλικό έμβολο το οποίο είναι τοποθετημένο στο ανώτερο τμήμα του μεταλλικού πλαισίου και με δυνατότητα επιβολής κατακόρυφης δύναμης. Η δύναμη του εμβόλου επιβάλλεται αρχικά σε μια μεταλλική δοκό μεγάλης ακαμψίας η οποία παρεμβάλλεται μεταξύ εμβόλου και δοκού Ο/Σ. Η μεταλλική αυτή δοκός εδράζεται επίσης σε δύο αρθρώσεις με απόσταση μεταξύ τους 60cm και συμμετρικά ως προς το κέντρο του ανώτερου τμήματος της δοκού Ο/Σ. Κατ αυτό τον τρόπο το συνολικό άνοιγμα της δοκού Ο/Σ χωρίζεται σε τρία τμήματα, μήκους 60cm το καθένα, ένα κεντρικό και δύο ακραία. Έτσι τελικώς διαμορφώθηκε το σύστημα φόρτισης «τεσσάρων σημείων». Σε κάθε πειραματική δοκιμή τοποθετούνταν στο κατώτερο τμήμα της δοκού τρία μηκυνσιόμετρα (LVDT) για τη μέτρηση των βυθίσεων της δοκού λόγω επιβολής της εξωτερικής φόρτισης. Το ένα εξ αυτών ετοποθετείτο στο μέσο της δοκού και τα άλλα δύο στις θέσεις επιβολής της εξωτερικής φόρτισης (σημεία έδρασης της μεταλλικής δοκού). Σε κάθε πειραματική δοκιμή καταγραφόταν το εξωτερικά επιβαλλόμενο φορτίο και οι βυθίσεις της δοκού στα τρία σημεία που προαναφέρθηκαν (Εικ. 3). Παράλληλα γινόταν οπτική (video) κάλυψη της εικόνας παραμόρφωσης και σημειώνονταν επί των δοκών οι θέσεις που εμφανίζονταν αστοχίες και το αντίστοιχο εξωτερικά επιβαλλόμενο φορτίο. Η διαδικασία εκτέλεσης των πειραμάτων περιελάμβανε τρείς έως τέσσερεις κύκλους φόρτισης αποφόρτισης επαναφόρτισης κάθε δοκού. Ο πρώτος κύκλος έφτανε σε πολύ μικρό επίπεδο φόρτισης, χωρίς εμφάνιση βλαβών, και κυρίως είχε σκοπό τον έλεγχο του καταγραφικού συστήματος. Ο δεύτερος κύκλος φόρτισης έφτανε μέχρι την ανάπτυξη διαρροής των διαμήκων οπλισμών της κάτω παρειάς και γινόταν τμηματικά ανά 10 KN (περίπου ανά 1 ton). Κάθε 10KN σταθεροποιείτο η εξωτερική φόρτιση χωρίς να αφαιρείται και σημειώνονταν επί τις δοκού οι οποιεσδήποτε βλάβες είχαν αναπτυχθεί και ήταν ορατές. Μετά το όριο διαρροής γινόταν αποφόρτιση της δοκού και καταγραφόταν η απομένουσα βύθιση. Ακολουθούσε επαναφόρτιση της δοκού για άλλες μία ή δύο φορές, με την τελευταία να φτάνει μέχρι πλήρους αστοχίας. Εδώ η έννοια της πλήρους αστοχίας ισοδυναμούσε είτε με την εκδήλωση ψαθυρού τύπου αστοχίας (καμπτοδιατμητικού χαρακτήρα) είτε

7 με την ανάπτυξη λυγισμού στο θλιβόμενο οπλισμό στο μέσο της άνω παρειάς της δοκούς. Μετά από την εκδήλωση αυτών των βλαβών διακοπτόταν κάθε περαιτέρω φόρτιση της δοκού (Εικ. 4) Εικ. 1. Κατασκευή πειραματικών δοκιμίων Εικ. 2. Πειραματικός έλεγχος θλιπτικής αντοχής σκυροδέματος Σχ. 4. Εξέλιξη σκλήρυνσης σκυροδέματος Σχ. 5 Διαγράμματα τάσης παραμόρφωσης σκυροδέματος

8 1) Experimental Beam 2) Steel Pin Support 3) Steel I-Beam 4) Actuator 5) Three LVDTs 6) PC & Data acquisition system 7) Oil Pump Εικ.3. Πειραματική διάταξη καμπτικής φόρτισης δοκών Ο/Σ (φόρτιση τεσσάρων σημείων) Εικ.4. Φόρτιση δοκών μέχρι πλήρους αστοχίας (α) Λυγισμός θλιβόμενων οπλισμών (β) καμπτοδιατμητική αστοχία στο δεξιό ακραίο τμήμα της δοκού Αποτελέσματα από την πρώτη σειρά των πειραματικών δοκιμών

9 Η πρώτη σειρά των πειραματικών δοκιμών αναφέρεται σε δοκούς ίδιας διάταξης διαμήκων και εγκάρσιων (συνδετήρων) οπλισμών αλλά με διαφορετική θλιπτική αντοχή σκυροδέματος. Περιλαμβάνει δοκιμές σε δύο δοκούς από κάθε κατηγορία (BjC27S20, BjC41S20, BjC49S20). Οι συμβολισμοί αυτοί υποδηλώνουν τα εξής: B: δοκός (beam) j: αριθμός δοκού CXX: μέση θλιπτική αντοχή σκυροδέματος από δοκίμια κύβου με ΧΧMpa S20: πύκνωση συνδετήρων στα δύο ακραία τμήματα της δοκού πέραν του κρίσιμου μήκους (lcr) ανά 20cm Σύμφωνα με τον EC8, το κρίσιμο μήκος (lcr) ορίζεται ίσο με το ύψος της δοκού και προσμετρά από τη θέση κάθε στήριξης της δοκού. Σε αυτό το μήκος η πύκνωση των συνδετήρων ήταν ανά 5cm σε όλες τις δοκούς. Στη σειρά αυτή των πειραματικών δοκιμών εξετάστηκαν μέχρι πλήρους αστοχίας έξι δοκοί: B1C27S20, B2C27S20, B1C41S20, B2C41S20, B1C49S20 & B2C49S20. Όπως έχει ήδη αναφερθεί η διαδικασία εκτέλεσης των πειραμάτων περιελάμβανε φόρτιση αποφόρτιση επαναφόρτιση για τρείς έως τέσσερις κύκλους φόρτισης, όπου την τελευταία φορά η κάθε δοκός φορτιζόταν μέχρι πλήρους αστοχίας. Από την εκτέλεση αυτών των πειραμάτων διαπιστώθηκε ότι κατά τα αρχικά στάδια φόρτισης αναπτύσσονταν κατακόρυφες καμπτικές ρωγμές στο μέσο της δοκού μεταξύ των σημείων επιβολής της εξωτερικής φόρτισης (περιοχή καθαρής κάμψης). Οι ρωγμές αυτές ξεκινούσαν από το κάτω εφελκυόμενο τμήμα της δοκού και επεκτείνονταν προοδευτικά προς τα πάνω όσο αύξανε η εξωτερική φόρτιση. Σε ανώτερα επίπεδα φόρτισης εμφανίζονταν καμπτοδιατμητικές ρωγμές στο σκυρόδεμα, στα δύο άκρα της δοκού, μεταξύ των σημείων επιβολής της εξωτερικής φόρτισης και των στηρίξεων της δοκού (Εικ. 4). Το μέγιστο εξωτερικά επιβαλλόμενο φορτίο που μπορούσε να παραληφθεί ήταν σχεδόν το ίδιο για όλες τις δοκούς και βρέθηκε ότι καθοριζόταν από το όριο διαρροής των διαμήκων οπλισμών της κάτω παρειάς. Αν και δεν παρουσιάζεται σ αυτή την εργασία, το φορτίο αυτό βρέθηκε επίσης σε πολύ καλή συμφωνία με τα αποτελέσματα υπολογιστικών προσομοιωμάτων τα οποία δίνουν το μέγιστο εξωτερικό φορτίο δοκού για αστοχία σε κάμψη. Μετά το όριο διαρροής επιβαλλόταν πρόσθετη βύθιση στις δοκούς ενώ διαπιστώθηκε διατήρηση του ίδιου επιπέδου εξωτερικής φόρτισης (δυνατότητα παραλαβής από τη δοκό του ίδιου επιπέδου φόρτισης) μέχρι το στάδιο της πλήρους αστοχίας. Ενδιάμεσα της κατάστασης διαρροής και της οριακής κατάστασης (πλήρους αστοχίας) γινόταν αποφόρτιση και επαναφόρτιση της δοκού ώστε να καταγραφεί η μορφή της καμπύλης αποφόρτισης και η απομένουσα βύθιση (Σχ. 6). Με την επαναφόρτιση της δοκού, αυτή ανακτούσε την ικανότητα παραλαβής του ίδιου επιπέδου εξωτερικής φόρτισης, όμως κάτω από αυτά τα επίπεδα φόρτισης συνέχιζε να αναπτύσσει περαιτέρω βυθίσεις. Με την αύξηση των βυθίσεων παρατηρείτο αρχικά διεύρυνση και επέκταση των ρωγμών του σκυροδέματος με ταυτόχρονη μείωση της ενεργούς διατομής στο κεντρικό τμήμα, και προφανώς αύξησης της θλιπτικής τάσης του σκυροδέματος η οποία τελικώς οδηγούσε στη συντριβή του σκυροδέματος στο μέσο της άνω παρειάς και ακολούθως στην ανάπτυξη τοπικού λυγισμού των θλιβόμενων διαμήκη οπλισμών στην ίδια θέση. Ο τοπικός λυγισμός περιοριζόταν μεταξύ δύο συνδετήρων στο κέντρο της δοκού. Μετά την εμφάνιση αυτής της αστοχίας διακοπτόταν η πειραματική φόρτιση (Εικ. 4α). Αξιοσημείωτη παρατήρηση σε αυτή τη σειρά των πειραμάτων ήταν ότι όσο αύξανε η αντοχή του σκυροδέματος γινόντουσαν πιο έντονες οι καμπτοδιατμητικές αστοχίες του σκυροδέματος. Μάλιστα,

10 σε μία περίπτωση δοκού με αντοχή σκυροδέματος 49Mpa οι καμπτοδιατμητικές αστοχίες είχαν πιο έντονη και προεξάρχουσα μορφή, με πλήρη ρηγμάτωση του σκυροδέματος και εγκάρσια παραμόρφωση του διαμήκη οπλισμού στο ένα άκρο της δοκού (Εικ. 4β και καμπύλη B2C49 του σχήματος 6). Η μορφή αυτής της αστοχίας αντανακλάται και στη συνολική εικόνα βύθισης της δοκού (Σχ. 7). Διαπιστώθηκε λοιπόν ότι για μεγάλες τιμές της αντοχής σκυροδέματος ο εγκάρσιος οπλισμός (συνδετήρες) στα άκρα των δοκών δεν επαρκούσε για να αποτρέψει τις αστοχίες καμπτοδιατμητικού χαρακτήρα, τόσο στο σκυρόδεμα όσο και στο διαμήκη οπλισμό (Εικ. 5). Τέλος, επιχειρήθηκε η σύγκριση της συνολικά απορροφημένης ενέργειας από τρεις δοκούς με διαφορετική κατηγορία σκυροδέματος, μέχρι την οριακή κατάσταση πλήρους αστοχίας. Εδώ, η απορροφημένη ενέργεια υπολογίζεται από το εμβαδό που περικλείεται από το διάγραμμα της περιβάλλουσας Φορτίου βύθισης από όλους τους κύκλους φόρτισης. Από αυτή τη σύγκριση διαπιστώθηκε ότι σε περίπτωση πρόωρης και προεξάρχουσας εκδήλωσης καμπτοδιατμητκής αστοχίας η απορροφημένη ενέργεια είναι πολύ μικρότερη συγκριτικά με τις άλλες περιπτώσεις πλήρους αστοχίας οι οποίες καθορίζονται από το στάδιο κατά το οποίο επέρχεται λυγισμός στο θλιβόμενο οπλισμό (Σχ.8 & Σχ. 9) Σχ.6. Περιβάλλουσα Φορτίου βύθισης δοκών μέχρι και τον τρίτο κύκλο φόρτισης από την πρώτη σειρά πειραμάτων Εικ. 5. Εικόνες καμπτοδιατμητικής αστοχίας δοκού Β2C49S20

11 Σχ.7. Γραφική απόδοση των βυθίσεων των δοκών μετά τον τρίτο κύκλο φόρτισης Σχ. 8. Περιβάλλουσα Φορτίου βύθισης μέχρι πλήρους αστοχίας (τέταρτος κύκλος φόρτισης) Σχ. 9. Συνολικά απορροφημένη ενέργεια από τις δοκούς B1C27S20, B2C41S20, B2C49S20 Αποτελέσματα από τη δεύτερη σειρά των πειραματικών δοκιμών

12 Τα αποτελέσματα και οι επισημάνσεις από την πρώτη σειρά των πειραμάτων, όπως εκτέθηκαν πιο πάνω, καθόρισαν το σχεδιασμό και τους επιδιωκόμενους στόχους της δεύτερης σειράς των πειραματικών δοκιμών. Η σειρά αυτή αναφέρεται σε δοκούς Ο/Σ με ίδια διάταξη διαμήκων οπλισμών, όπως και στην πρώτη σειρά, ίδια κατηγορία σκυροδέματος με μέση θλιπτική αντοχή 53Mpa αλλά με διαφορετική πύκνωση στους συνδετήρες κάθε ομάδας (βλέπε πίνακας 1 και Σχ. 3). Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών σε έξι δοκούς, δύο από κάθε ομάδα με διαφορετική πύκνωση των συνδετήρων (BjC53S15, BjC53S10, BjC53S05). Οι συμβολισμοί αυτοί υποδηλώνουν τα εξής: B: δοκός (beam) j: αριθμός δοκού C53: μέση θλιπτική αντοχή σκυροδέματος από δοκίμια κύβου ίση με 53Mpa SΧΧ: πύκνωση συνδετήρων στα δύο ακραία τμήματα της δοκού πέραν του κρίσιμου μήκους (lcr) ανά ΧΧcm. Επειδή η αντοχή σκυροδέματος ήταν η ίδια σε όλες τις δοκούς (53Mpa) σε αρκετούς από τους συμβολισμούς που ακολουθούν, ιδιαιτέρως στα σχήματα, για λόγους συντομίας και απλότητας παραλείπεται ο συμβολισμός C53.Όπως αναφέρθηκε ήδη, σύμφωνα με τον EC8, το κρίσιμο μήκος (lcr) μιας δοκού ορίζεται ίσο με το ύψος της και προσμετρά από τη θέση κάθε στήριξης της δοκού. Στο κρίσιμο μήκος (lcr=20cm) η πύκνωση των συνδετήρων ήταν ανά 5cm σε όλες τις δοκούς ενώ η διαφοροποίηση των συνδετήρων στα ακραία τμήματα γινόταν στο υπόλοιπο τμήμα (μήκος ακραίου τμήματος lcr). Δύο δοκοί ήταν με πύκνωση συνδετήρων ανά 15cm (B1C53S15, B2C53S15), δύο δοκοί με 10cm (B1C53S10, B2C53S10) και άλλοι δύο με 5cm, (B1C53S05 & B2C53S05). Σε αυτές τις δοκούς υφίσταται ακόμα μια διαφορά στη πύκνωση των συνδετήρων συγκριτικά με τις δοκούς της πρώτης σειράς των πειραμάτων. Στην πρώτη σειρά των πειραμάτων, στο κεντρικό τμήμα της δοκού η πύκνωση των συνδετήρων ήταν ανά 20cm ενώ σε αυτή τη σειρά είναι ανά 15cm. Η διαφορά αυτή μεταβάλλει προφανώς το μήκος λυγισμού του θλιβόμενου οπλισμού στην άνω παρειά της δοκού. Λήφθηκε επίσης σχετική πρόνοια ώστε εκατέρωθεν του μέσου κάθε δοκού, όπου αναμένονται οι μέγιστες τάσεις λόγω κάμψης, να απέχουν εξίσου δύο συνδετήρες ώστε να υπάρχει σχετική συμμετρία στη θέση αυτή όπου αναμένεται η εκδήλωση της συντριβής του σκυροδέματος και του λυγισμού του διαμήκους οπλισμού λόγω θλιπτικών τάσεων που παράγονται από την κάμψη της δοκού. Η πειραματική φόρτιση των δοκών περιελάμβανε και σ αυτή την περίπτωση φόρτιση αποφόρτιση επαναφόρτιση για τρείς έως τέσσερις κύκλους φόρτισης, όπου την τελευταία φορά η κάθε δοκός φορτιζόταν μέχρι πλήρους αστοχίας. Από την εκτέλεση των πειραματικών δοκιμών διαπιστώθηκε, όπως και στην πρώτη σειρά των πειραμάτων, ότι κατά τα αρχικά στάδια φόρτισης αναπτύσσονταν κατακόρυφες καμπτικές ρωγμές στο κεντρικό τμήμα της δοκού, μεταξύ των σημείων επιβολής της εξωτερικής φόρτισης (περιοχή καθαρής κάμψης). Οι ρωγμές αυτές ξεκινούσαν από το κάτω εφελκυόμενο τμήμα της δοκού και επεκτείνονταν προοδευτικά προς τα πάνω όσο αύξανε η εξωτερική φόρτιση. Ωστόσο, σε αυτή τη σειρά των πειραμάτων, όπως άλλωστε αναμενόταν, διαπιστώθηκε ότι με την αύξηση της πύκνωσης των συνδετήρων η οποία συνεπάγεται αύξηση της διατμητικής αντοχής της δοκού, περιορίζονταν οι καμπτοδιατμητικές αστοχίες στα ακραία τμήματα των δοκών, ενώ οι προεξάρχουσες μορφές αστοχίας επικεντρώνονταν κυρίως στο κεντρικό τμήμα κάθε δοκού (περιοχή καθαρής κάμψης).

13 Και σε αυτή τη σειρά των πειραμάτων βρέθηκε ότι το μέγιστο εξωτερικά επιβαλλόμενο φορτίο που μπορούσε να παραληφθεί ήταν σχεδόν το ίδιο για όλες τις δοκούς και καθοριζόταν από το όριο διαρροής των διαμήκων οπλισμών της κάτω παρειάς. Υπενθυμίζουμε ότι οι δοκοί όλων των ομάδων είχαν τους ίδιους διαμήκεις οπλισμούς (3Y12 κάτω παρειά και 2Υ12 κάτω παρειά) και ως εκ τούτου και οι δοκοί αυτής της σειράς των πειραμάτων ανέπτυξαν αντοχή περίπου στο ίδιο εξωτερικό μέγιστο φορτίο όπως και της πρώτης σειράς. Μετά το όριο διαρροής επιβαλλόταν πρόσθετη βύθιση στις δοκούς ενώ διαπιστώθηκε διατήρηση του ίδιου επιπέδου εξωτερικής φόρτισης μέχρι το στάδιο της πλήρους αστοχίας (Σχ. 10). Εικ. 6. Θέσεις και μορφές αστοχίας δοκών από τη δεύτερη σειρά πειραμάτων Σχ.10. Περιβάλλουσα Φορτίου βύθισης δοκών μέχρι πλήρους αστοχίας από τη δεύτερη σειρά πειραμάτων

14 Αυτό όμως που αποκτά ιδιαίτερο ενδιαφέρον σ αυτή τη σειρά των πειραμάτων είναι οι μηχανισμοί αστοχίας που έχουν αναπτυχθεί σε οριακά επίπεδα φόρτισης και η ερμηνεία αυτών των μηχανισμών. Πέραν του καμπτικού τύπου αστοχίας της διατομής στο κεντρικό τμήμα με έντονες κατακόρυφες ρωγμές και τη διαρροή του εφελκυόμενου οπλισμού, που είχαν επισυμβεί σε χαμηλότερα επίπεδα παραμόρφωσης της δοκού, σε οριακά επίπεδα φόρτισης και μεγάλες βυθίσεις όλες οι δοκοί ανέπτυξαν συντριβή του σκυροδέματος στο άνω κεντρικό τμήμα της δοκού λόγω θλιπτικών τάσεων από κάμψη και ακολούθως λυγισμό του διαμήκους οπλισμού σε αυτή τη θέση (Εικ. 6). Ο λυγισμός του οπλισμού ήταν σχετικά περιορισμένος συγκριτικά με το λυγισμό των αντίστοιχων οπλισμών από τα πειραματικά δοκίμια της πρώτης σειράς και αυτό αποδίδεται στη διαφορά του μήκους λυγισμού μεταξύ των δοκών από τις δύο σειρές πειραμάτων (Εικ. 7). Η απόσταση μεταξύ των συνδετήρων στο κεντρικό τμήμα της δοκού ήταν 20cm και 15cm για την πρώτη και δεύτερη σειρά πειραμάτων αντίστοιχα. Επίσης, όπως προαναφέρθηκε, σε αυτή τη σειρά των πειραμάτων οι καμπτοδιατμητικές μορφές αστοχίας στα ακραία τμήματα των δοκών ήταν πολύ περιορισμένες. Αυτό αποδίδεται στην επαυξημένη διατμητική αντοχή των ακραίων τμημάτων των δοκών λόγω πύκνωσης των συνδετήρων σ αυτές τις περιοχές. Όμως, η μη εκδήλωση έντονων καμπτοδιατμητικών αστοχιών είχε σαν αποτέλεσμα τη πολύ περιορισμένη σε ποσοστό απορρόφησης ενέργειας από τέτοιες αστοχίες (καμπτοδιατμητικές). Κατά συνέπεια, το μεγαλύτερο ποσοστό της τελικά απορροφημένης ενέργειας διατέθηκε για την εκδήλωση αστοχιών στο κεντρικό τμήμα των δοκών (συντριβή σκυροδέματος και λυγισμός διαμήκων οπλισμών). Έτσι λοιπόν παρατηρούμε ότι, οι δοκοί με πύκνωση συνδετήρων στα ακραία τμήματα ανά 5cm (Β1C53S05 & B2C53S05) είχαν φτάσει στην οριακή κατάσταση αστοχίας (λυγισμός θλιβόμενων οπλισμών) για μικρότερες τιμές βύθισης των δοκών. Αντίθετα, οι δοκοί με πύκνωση συνδετήρων στα ακραία τμήματα ανά 15cm (Β1C53S15 & B2C53S15), λόγω απορρόφησης σημαντικού ποσοστού ενέργειας από τις καμπτοδιατμητικές αστοχίες, παρουσίασαν μεγαλύτερη ικανότητα απορρόφησης ενέργειας και κατ επέκταση εκδήλωσης της οριακής μορφής αστοχίας (λυγισμός θλιβόμενου οπλισμού) σε μεγαλύτερα μεγέθη βύθισης, συγκριτικά με τις υπόλοιπες δοκούς, ενώ οι δοκοί με πύκνωση των συνδετήρων ανά 10cm παρουσίασαν μια ενδιάμεση κατάσταση. Η παραπάνω επισήμανση ερμηνεύεται και από τα διαγράμματα φορτίου βύθισης κάθε ομάδας δοκών (περιβάλλουσες από τις μέσες τιμές των δοκών κάθε ομάδας) (Σχ. 11). Όπως ήδη αναφέρθηκε, αρχικά με την επαύξηση του επιβαλλόμενου φορτίου και στη συνέχεια με την περαιτέρω βύθιση των δοκών υπό τη συνεχή δράση του μέγιστου φορτίου, οι βλάβες στις δοκούς περιορίζονταν κυρίως στο κεντρικό τμήμα (περιοχή καθαρής κάμψης) και χαρακτηρίζονται από την ανάπτυξη κατακόρυφων ρωγμών και τη διεύρυνση και την επέκταση αυτών των ρωγμών καθ ύψος λόγω αύξησης του εξωτερικού φορτίου ή περαιτέρω βύθισης της δοκού. Η επέκταση αυτών των ρωγμών υποδηλώνει αντίστροφα τη μείωση της ενεργούς διατομής κάθε δοκού. Η μείωση της ενεργούς διατομής συνεπάγεται επαύξηση των θλιπτικών τάσεων στο σκυρόδεμα κάτι το οποίο εξελικτικά θα οδηγήσει στη συντριβή του σκυροδέματος. Για το λόγο αυτό έγινε μια επιπλέον διερεύνηση αυτού του θέματος (μείωση ενεργούς διατομής) μέσα από κατάλληλη επεξεργασία των μετρήσεων του μήκους των ρωγμών για διάφορα επίπεδα φόρτισης. Από την αξιολόγηση αυτών των μετρήσεων διαπιστώθηκε ότι ο τρόπος επέκτασης του ύψους της ρηγματωμένης διατομής, συναρτήσει του εξωτερικά επιβαλλόμενου φορτίου, μπορεί να προσεγγιστεί με μια μέση καμπύλη. Επίσης, παρατηρούμε ότι ένα σημαντικό μέρος μείωσης της ενεργούς διατομής οφείλεται στο εξωτερικά επιβαλλόμενο φορτίο ενώ ένα άλλο εξίσου σημαντικό μέρος οφείλεται στην περαιτέρω βύθιση της δοκού υπό τη δράση του μέγιστου φορτίου, μετά τη διαρροή των εφελκυόμενων διαμήκων οπλισμών. Στην παρούσα φάση το αντικείμενο αυτό βρίσκεται υπό περαιτέρω υπολογιστική διερεύνηση με στόχο την ανάπτυξη κατάλληλου υπολογιστικού προσομοιώματος περιγραφής αυτής της κατάστασης.

15 Εικ. 7. Εικόνες αστοχίας σε λυγισμό των θλιβόμενων ράβδων χάλυβα από της δύο σειρές πειραμάτων. Σχ.11. Περιβάλλουσες Φορτίου βύθισης από τις μέσε τιμές των δοκών κάθε ομάδας από τη δεύτερη σειρά πειραμάτων μέχρι πλήρους αστοχίας Σχ.12 Εξέλιξη ρηγματωμένης διατομής δοκού συναρτήσει του εξωτερικού φορτίου

16 Συμπεράσματα Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας έγινε πειραματική διερεύνηση της φέρουσας ικανότητας και των μηχανισμών αστοχίας 12 δοκών Ο/Σ όταν υποβάλλονται σε καμπτική φόρτιση, σχεδιασμένων με βάση τις πρόνοιες των ευρωπαϊκών κανονισμών. Από τα αποτελέσματα αυτής της διερεύνησης μπορούν να διατυπωθούν τα εξής συμπεράσματα: Το μέγιστο καμπτικό φορτίο που παραλαμβάνουν οι δοκοί εξαρτάται από τη διαρροή του διαμήκους εφελκυόμενου οπλισμού ενώ δεν βρέθηκε να επηρεάζεται από την πύκνωση των συνδετήρων. Η χρήση σκυροδέματος υψηλής αντοχής μπορεί να οδηγήσει σε πρόωρη εμφάνιση καμπτοδιατμητικής αστοχίας σε χαμηλότερα επίπεδα φόρτισης, λόγω αδυναμίας του σκυροδέματος υψηλής αντοχής να αναπτύξει μεγάλες παραμορφώσεις. Η πύκνωση των συνδετήρων στα ακραία τμήματα των δοκών για επαύξηση της διατμητικής τους αντοχής αποτρέπει μεν την εμφάνιση καμπτοδιατμητικών αστοχιών μεταβάλλει όμως τους μηχανισμούς αστοχίας, μειώνοντας ταυτόχρονα την ικανότητα της δοκού να απορροφήσει μεγάλα ποσά ενέργειας. Το γεγονός αυτό μπορεί να οδηγήσει σε πρόωρη εκδήλωση αστοχιών λόγω κάμψης. Ο παραπάνω μηχανισμός μπορεί να εκδηλωθεί ακόμα και υπό μικρές βυθίσεις της δοκού περνώντας διαδοχικά από τα εξής στάδια: Ανάπτυξη έντονων κατακόρυφων ρωγμών λόγω κάμψης, περιορισμός της θλιβόμενης ζώνης, ανάπτυξη έντονων θλιπτικών τάσεων λόγω κάμψης, συντριβή του σκυροδέματος στη θλιβόμενη ζώνη και λυγισμός του θλιβόμενου διαμήκους οπλισμού. Συνεπώς, η χρήση σκυροδέματος υψηλής αντοχής σε δοκούς Ο/Σ μπορεί να οδηγήσει σε πρόωρες αστοχίες καμπτοδιατμητικού χαρακτήρα ωστόσο η πύκνωση των συνδετήρων για αποφυγή αυτής της κατάστασης δεν θα πρέπει να γίνεται αλόγιστα αλλά με ταυτόχρονη επανεξέταση της συνολικής συμπεριφοράς της δοκού. Βιβλιογραφία CEN (2004), Eurocode 2. Design of concrete structures Part 1 1: General rules and rules for buildings (EN ), Brussels. CEN (2004), Eurocode 8. Earthquake Resistance Design of Structures Part 1: New Buildings (EN ), Brussels. Δημοσθένους, Μ., Μάνος, Γ.Χ., Σταύρου, Δ.Σ., Κουρτίδης, Β. (2003), «Πειραματική διερεύνηση της επιρροής χειροποίητων και μηχανοποίητων εγκάρσιων οπλισμών σε δομικά στοιχεία Ο/Σ», 14ο Συνέδριο Σκυροδέματος, Τόμος Γ, σελ , Κως Μάνος, Γ.Χ. Σταυρου, Δ.Σ., Κουρτίδης, Β., Μητσαράκης, Χ., Δημοσθένους, Μ. (2003), «Πειραματική και υπολογιστική διερεύνηση της επισκευής και ενίσχυσης δομικών στοιχείων Ο/Σ με τη χρήση ινοπλισμένων πολυμερών», 14 ο Συνέδριο Σκυροδέματος, Τόμος Β, σελ , Κως Ζαράρης, Π.Δ., (2003) «Διατμητική αντοχή των δοκών οπλισμένου σκυροδέματος», 14ο Συνέδριο Σκυροδέματος, Τόμος Α, σελ , Κως